CN114515915A - 一种激光切割加工路径优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光切割加工路径优化方法，该方法通过将保存在原始零件轮廓上的点中的工艺标记通过扩张偏置和点包含的方法，传递到对应的零件加工路径的点中，进而得到带有工艺标记的加工路径，激光切割机中设定有不同加工标记对应的加工参数，并在切割过程中进行判断每个线段所需的加工参数，从而达到零件分类切割的目的。该方法稳定可靠，鲁棒性强，适应性广，适用于激光切割实际加工。

Description

一种激光切割加工路径优化方法
技术领域
本发明属于计算几何、计算机辅助制造CAM(Computer aided manufacturing)和激光切割技术领域，具体涉及一种激光切割加工路径优化方法。
背景技术
随着科学技术的飞速发展和计算机的普及，计算机辅助设计渐渐代替了许多繁琐的工作，使得计算机不再只是一种高效的计算工具，也成为了了帮助人们进行创造性设计工作的帮手。这其中，计算几何就是计算机能实现这一功能的基础理论之一。计算几何的定义是：“对几何外形信息的计算机表示、分析和综合”。其主要研究内容是几何形体的数学描述和计算机表述，通过一系列离散点或特征多边形建立数学模型，再通过计算机进行计算，求出希望得到的信息。其几何化、代数化和图形化的特点不仅帮助我们表示和处理各种复杂的曲面和几何形体，也克服了我们过分依赖坐标系选取的不足之处。
和计算机辅助设计一样，计算机辅助制造也是借助计算机的优势，为制造方法开辟了一条新的道路。计算机辅助制造利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，即通过直接或间接地把计算机与制造过程和生产设备相联系，用计算机系统进行制造过程的计划、管理以及对生产设备的控制与操作的运行，处理产品制造过程中所需的数据，控制和处理物料(毛坯和零件等)的流动，对产品进行测试和检验等。
激光切割利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的切缝，完成对材料的切割。激光切割设备通常采用计算机化数字控制技术(CNC)装置。采用该装置后，就可以从计算机辅助设计(CAD)工作站来接受切割数据。激光切割具有切割质量好、切割效率高、切割速度快、非接触式切割带来的噪声低，振动小，无污染等优点。
激光切割常被用于零件组的加工，现有技术中一般只采用一种加工参数(如激光功率、切割速度和切割半径)对零件组进行加工处理。然而由于零件组中通常包括不同形状、以及不同排布密集程度的零件，直接采用现有技术中的加工方法，会造成产品质量问题。如具有曲线轮廓的零件，因为切割过程中需要变化角度，因此需要降低切割速度以保证切割精度；而不同曲率半径的曲线轮廓也需要调整切割半径以满足切割要求；另外，当零件排布比较密集的时候，同样需要降低切割速度，避免切割过于频繁产生大量的热，造成产品热变形，降低产品质量。因此需要一种能够实现不同零件轮廓分类切割的激光切割路径优化方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种激光切割加工路径优化方法。该方法通过将保存在原始零件轮廓上的点中的加工标记(工艺标记)通过扩张偏置和点包含的方法，传递到对应的零件加工路径的点中，进而得到带有加工标记的加工路径，激光切割机中设定有不同加工标记对应的加工参数，并在切割过程中进行判断每个线段所需的加工参数，从而达到零件分类切割的目的。该方法稳定可靠，鲁棒性强，适应性广，适用于激光切割实际加工。
一种激光切割加工路径优化方法，包括以下步骤：
(1)输入带有轮廓信息的待切割的零件组集合，其中包括两端点带有相同特殊工艺标记的特殊工艺线段；
(2)将零件组集合中所有零件轮廓通过偏置生成加工路径集合；
(3)分别将零件组集合中每一特殊工艺线段偏置成封闭轮廓，并将生成的所有封闭轮廓按照对应的特殊工艺线段的端点带有的特殊工艺标记的种类分别存入不同的封闭轮廓集合内；
(4)分别判断加工路径集合中的每个点是否落入上述封闭轮廓集合中的封闭轮廓内，若当前判断的点落入某一封闭轮廓内，将生成该封闭轮廓的特殊工艺线段的端点带有特殊工艺标记添加到该点中；
(5)根据步骤(4)中的判断结果，输出包含特殊工艺标记的加工路径集合。
上述步骤(2)中生成的加工路径集合包括多个加工路径，每个加工路径由多个点构成，每相邻两个点构成一个加工路径中的一个线段。
步骤(3)中，将生成的所有封闭轮廓按照对应的特殊工艺线段的端点带有的特殊工艺标记的种类分别存入不同的轮廓集合内，即将封闭轮廓分为多个封闭轮廓集合，每个封闭轮廓集合内的所有封闭轮廓对应的特殊工艺线段的端点带有的特殊工艺标记都相同。
步骤(4)中，若加工路径集合中的点落入了某一封闭轮廓内，则将生成该封闭轮廓的特殊工艺线段的端点带有的特殊工艺标记添加到该点中。上述封闭轮廓集合中的封闭轮廓包括所有封闭轮廓集合中的所有封闭轮廓，即针对加工路径集合中的一个点，对其是否落入封闭轮廓集合中的封闭轮廓内时，需要对所有封闭轮廓集合中的封闭轮廓分别进行判断。
作为优选，所述零件组集合中至少包括一个零件，每个零件至少由一条轮廓组成，每条轮廓由一系列的点构成，相邻的点组成该轮廓的一条线段。
存储零件组集合的容器可以是vector，而存储零件的数据结构应该至少包含组成当前零件的轮廓的数据结构，而存储轮廓的数据结构又应该至少包含组成当前轮廓的点的数据结构和特殊工艺线段的信息。而存储点的数据结构除了应该包含点的位置信息外，还应该包含该点是否带有特殊工艺标记的信息。
作为一种选择，存储零件组集合的容器定义如下：vector<Part>，其中Part是表示零件的一种数据结构。它自身也是一个vector<Polyline>，即存放当前零件的所有轮廓的一种数据结构，Polyline则是表示零件轮廓的一种数据结构。与Part相似，Polyline自身是一个vector<Point>，即存放构成当前轮廓所有点的一种数据结构。Point是点的数据结构，假设除了默认工艺标记还有三种特殊工艺标记，三种特殊工艺标记分别记为tec1、tec2和tec3，则点的结构内主要有X，Y，is_tec1，is_tec2和is_tec3这几个主要属性。其中X和Y代表这个点的位置信息，而is_tec1，is_tec2和is_tec3则分别记录了当前点所带的工艺标记种类，需要注意，一个点可以同时带有多种工艺标记。与点的结构相似，Polyline结构内除了所包含的所有点的信息，还有两端点带有相同特殊工艺标记的所有线段LineIntec1、LineIntec2和LineIntec3，每个具体就是个vector<Line>，其中Line结构内就是线段的两个端点。
作为优选，所述零件组集合中至少包括一种特殊工艺标记，每种特殊工艺标记对应激光切割机中的一种加工参数。
零件组集合中的工艺标记分为默认工艺标记和特殊工艺标记，每种工艺标记分别对应一种设定的加工参数，并与激光切割机中设定的加工参数相对应，如激光功率、切割速度、切割半径等。加工时，激光切割机只需识别工艺标记即可对零件进行分类加工。我们将零件组集合中数量最多的工艺标记定义为默认工艺标记，其他工艺标记则为特殊工艺标记。
作为优选，步骤(3)中，按照激光半径的1.00005～1.0003倍，将特殊工艺线段偏置成封闭轮廓。进一步优选为1.0001倍。
本技术方案中选用比激光半径稍大的偏置距离(激光半径的1.0001倍)是方便后续判断点是否在封闭轮廓内时不会因为偏置距离过小造成点落在轮廓边界上的问题，但如果偏置距离过大又会误将正常点判断为落入封闭轮廓内。
假设零件组集合中有三种特殊工艺标记，分别记为tec1、tec2和tec3，则所有两端点都带有tec1标记的线段生成的封闭轮廓保存在一个封闭轮廓集合{Qtec1}中，剩余两种特殊工艺标记也是按这种方式保存两端点都带有对应特殊工艺标记的所有特殊工艺线段偏置后的封闭轮廓。
为减少计算，作为优选，步骤(4)中，若当前判断的点落入了某一封闭轮廓集合中的一个封闭轮廓内，则不再判断该点是否落入该封闭轮廓集合中的其他封闭轮廓内。
作为优选，步骤(2)中，对生成的加工路径集合中的所有点赋予默认工艺标记，同样，该默认工艺标记对应激光切割机中的一种加工参数。步骤(4)中，对加工路径集合中的点进行判断时，若一点落入某一个或多个处于不同封闭轮廓集合内的封闭轮廓内，则将生成对应封闭轮廓的特殊工艺线段的端点带有的特殊工艺标记添加到该点中，此时该点同时具有默认工艺标记和一种或多种特殊工艺标记。加工路径中的一个点可以同时带有多种不同的工艺标记，但由相邻两点构成的线段只能采用一种工艺标记对应的加工参数进行加工。
步骤(5)中，根据步骤(4)中的判断结果，针对加工路径集合中任一以相邻两点作为端点的线段，若构成该线段的两个端点带有相同的特殊工艺标记，则认为该线段需要特殊加工，并按照该特殊工艺标记对应的加工参数进行加工。
具体讲，当加工路径中的一个线段的两个端点带有相同的特殊工艺标记时，可以认为该线段需要特殊加工；若线段的两个端点没有相同的特殊工艺标记或仅默认工艺标记相同，则默认该线段不需要特殊加工，并对该线段按照默认工艺标记对应的加工参数进行加工。不同的工艺标记对应激光切割机中设定的不同加工参数，加工时，激光切割机只需识别加工路径集合中相邻两点的工艺标记，即可对其中的线段采用相应的加工参数进行加工，实现对零件分类切割。
作为优选，步骤(4)中，判断点是否落入封闭轮廓内，通过筛查该封闭轮廓的矩形包络位置的方式实现。
作为进一步优选，若通过封闭轮廓的矩形包络位置进行筛查后不能判断点是否落入封闭轮廓内，则通过射线法进一步完成判断。
作为优选，步骤(2)中，对零件轮廓进行偏置时，以激光半径为偏置距离进行偏置。
作为进一步优选，对零件轮廓进行偏置时，按照外轮廓向外、内轮廓向内的原则进行偏置。
因为用于切割的激光是有宽度的，所以不能按照原有零件尺寸进行切割，而需要把零件的外轮廓向外，内轮廓向内偏置激光的半径宽度，才能切割出设定的尺寸。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的优化方法通过将零件中需要特殊工艺加工的线段偏置成范围区域(封闭轮廓)，并通过判断点是否包含在封闭轮廓内的方法，将工艺标记信息传递给加工路径集合中的点，从而得到带有特殊工艺标记的加工路径集合，结合激光切割机设定的与工艺标记对应的加工参数，实现了零件的分类切割。
本发明的优化方法只需要遍历一次所有加工路径集合上的点就能将所有的特殊工艺标记传递完成，也设计了相关的方法减少判断点是否包含于封闭轮廓内所需的计算时间，使得本发明的优化方法能在很快的时间稳定可靠的实现零件分类激光切割。
本发明还设计了一种表示零件、轮廓、线段与点之间关系的数据结构，使得通过点可以保存相关的工艺标记信息，具有较强的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明实施例的一种激光切割加工路径优化方法的流程图；
图2为输入的所有需要加工的零件图；
图3为零件组集合的数据结构图；
图4为特殊工艺线段偏置成封闭轮廓的原理图；
图5为特殊工艺线段偏置距离对点包含问题的影响示意图；
图6为包含特殊标记的加工路径流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。
本发明一种激光切割加工路径优化方法流程图如图1所示，具体实施步骤如下：
步骤101：输入带有轮廓信息的待切割的零件组集合{Pi}，其中i∈[1,n]，n为零件总数。
零件组集合中至少包括一个零件，每个零件至少由一条轮廓组成，每条轮廓由一系列的点构成，相邻的点组成该轮廓的一条线段。
如图2所示，输入的所有需要切割的零件，已经排列好的所有零件中应该至少存在一条线段是需要用特殊工艺进行加工的，即该线段的两个端点带有相同的特殊工艺标记，该线段记为特殊工艺线段。
图3所示是零件组集合的数据结构，定义如下：存储零件组集合的容器Parts定义为vector<Part>，其中Part是表示零件的一种数据结构。它自身也是一个vector<Polyline>，即存放当前零件的所有轮廓的一种数据结构，Polyline则是表示零件轮廓的一种数据结构。与Part相似，Polyline自身是一个vector<Point>，即存放构成当前轮廓所有点的一种数据结构。Point是点的数据结构，假设除了默认工艺标记有三种特殊工艺标记，分别记为tec1、tec2和tec3，则点的结构内主要有X，Y，is_tec1，is_tec2和is_tec3这几个主要属性。其中X和Y代表这个点的位置信息，而is_tec1，is_tec2和is_tec3则分别记录了当前点所带的工艺标记种类，需要注意，一个点可以同时带有多种工艺标记。与点的结构相似，Polyline结构内除了所包含的所有点的信息，还有带有特殊工艺标记的所有线段LineIntec1、LineIntec2和LineIntec3，每个具体就是个vector<Line>，其中Line结构内就是线段的两个端点。
步骤102：将所有输入的零件轮廓通过偏置生成加工路径集合{Gk}，其中k∈[1,c]，c为加工路径数。
将{Pi}中的每条轮廓线都按照激光半径进行偏置，生成一个加工路径，每个加工路径由多个点组成，每相邻两个点组成构成加工路径的一条线段。因为用于切割的激光是有宽度的，所以不能按照原有零件尺寸进行切割，而需要把零件的外轮廓向外，内轮廓向内偏置激光的半径宽度，切割出来才会有想要的零件尺寸。偏置生成的一系列加工路径以线段组的形式保存。
对生成的加工路径集合中的所有点赋予默认工艺标记。
步骤103：将所有特殊工艺线段通过偏置构造成轮廓组集合{Qj}，其中j∈[1,m]，m为特殊工艺标记的种类。
轮廓组集合中包括多个封闭轮廓集合，每个轮廓集合内所有的封闭轮廓对应的特殊工艺线段的端点带有的特殊工艺标记都相同。假设有三种特殊工艺标记，分别记为tec1、tec2和tec3，则所有两端点都带有tec1标记的线段生成的封闭轮廓保存在一个封闭轮廓集合{Qtec1}中。
{Pi}中所有保存的特殊工艺线段都按照比激光半径稍大的距离偏置成一个封闭轮廓。图4展示了一条线段偏置成一个封闭轮廓。比激光半径稍大的偏置距离是方便后续判断点是否在某一封闭轮廓内时不会因为偏置距离过小造成点落在轮廓边界上的问题，但如果偏置距离过大又会误将正常点判断为当前工艺层的点，如图5所示。在图5中，(1)为原始的零件轮廓P1和其经偏置生成的加工路径P偏，P1上存在一条线段L1为特殊工艺线段。(2)、(3)和(4)分别为对L1进行偏置后的点包含运算效果图，(2)中L1偏置距离为激光半径，此时就会遇到加工轮廓上的点在偏置轮廓上的问题，较难判断；(3)中采用了比激光半径稍大的偏置距离，能够达到我们需要的效果；(4)中偏置距离过大，导致零件右侧的点会出现包含错误。
作为一种选择，所有特殊工艺线段按照1.0001倍激光半径距离进行偏置，可以避免上述可能产生的问题。假设有三种特殊工艺标记，分别记为tec1、tec2和tec3，则所有两端点都标有tec1标记的线段生成的封闭轮廓保存在一个封闭轮廓集合{Qtec1}中，剩余两种特殊工艺标记也是按这种方式保存两端点都带有对应特殊工艺标记的所有特殊工艺线段偏置后的封闭轮廓。
步骤104：取出加工路径集合{Gk}中的一个未判断的点。
原始零件组通过偏置激光半径生成的加工路径集合中，每个加工路径都是由多个点构成的，从中依次选择没有判断过的点作为当前点。
步骤105：判断取出的点(当前点)是否在封闭轮廓集合中的封闭轮廓内。
假设有三种特殊工艺标记，分别记为tec1、tec2和tec3，则所有两端点都带有tec1标记的线段生成的封闭轮廓保存在一个封闭轮廓集合{Qtec1}中。在判断当前点是否在某一封闭轮廓内时，可以先根据该封闭轮廓的矩形包络位置进行筛查，仍然无法判断的可以通过射线法进一步判断。如果当前点在一封闭轮廓集合中的一个封闭轮廓内，则不用再判断当前点是否在该封闭轮廓集合中的其他封闭轮廓内。
步骤106：将对应的特殊工艺标记添加到当前点中。
在步骤101中我们介绍了点的数据结构中包含了点是否带有特殊工艺标记的属性。所以在步骤105判断过之后，可以将相应的信息保存在当前点的数据结构中。
即，若当前点落入封闭轮廓集合{Qtec1}内的一封闭轮廓内，则将tec1标记添加到当前点中，此时该当前点同时具有默认工艺标记和tec1标记。
步骤107：判断是否还有未判断的点，若有则返回步骤104判断下一个点，若没有则继续进行下一步。
步骤108：根据步骤106保存的点的数据结构，输出包含特殊工艺标记的加工路径集合。
加工路径集合中的每个点都已经判断并赋予过相应的工艺标记，针对加工路径集合中的任一条线段，通过判断这条线段的两个端点是否带有相同的特殊工艺标记即可判断当前线段是否属需要特殊的工艺加工。若该线段的两端点带有相同的特殊工艺标记，则对该线段按照该特殊工艺标记对应的加工参数进行加工；若两个端点没有相同的特殊工艺标记或仅默认工艺标记相同，则认为该线段不需要进行特殊加工，对该线段按照默认工艺标记对应的加工参数进行加工。图6为一种加工路径中标记的不同工艺标记加工的例子，通过“！GOP2！”或“！GOP1！”等实现不同工艺参数的切割。
本发明的方法通过将零件中需要特殊工艺加工的线段偏置成范围区域(封闭轮廓)，并通过判断点是否包含在封闭轮廓内的方法，将工艺标记信息传递给加工路径集合中的点，从而得到带有特殊工艺标记的加工路径集合，结合激光切割机设定的与工艺标记对应的加工参数，实现了零件的分类切割。本发明还设计了一种表示零件、轮廓、线段与点之间关系的数据结构，使得通过点可以保存相关的工艺标记信息，具有较强的鲁棒性。本发明因为只需要遍历一次所有加工路径集合上的点就能将所有的特殊工艺标记传递完成，也设计了相关的方法减少判断点是否包含于封闭轮廓内所需的计算时间，使得本发明的方法能在很快的时间稳定可靠的实现零件分类激光切割。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，本发明还可以有各种更改和变化。在不脱离本发明原理的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光切割加工路径优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)输入带有轮廓信息的待切割的零件组集合，其中包括两端点带有相同特殊工艺标记的特殊工艺线段；
(2)将零件组集合中所有零件轮廓通过偏置生成加工路径集合；
(3)分别将零件组集合中每一特殊工艺线段偏置成封闭轮廓，并将生成的所有封闭轮廓按照对应的特殊工艺线段的端点带有的特殊工艺标记种类分别存入不同的封闭轮廓集合内；
(4)分别判断加工路径集合中的每个点是否落入上述封闭轮廓集合中的封闭轮廓内，若当前判断的点落入某一封闭轮廓内，将生成该封闭轮廓的特殊工艺线段的端点带有特殊工艺标记添加到该点中；
(5)根据步骤(4)中的判断结果，输出包含特殊工艺标记的加工路径集合。
2.根据权利要求1所述的一种激光切割加工路径优化方法，其特征在于，所述零件组集合中至少包括一个零件，每个零件至少由一条轮廓组成，每条轮廓由一系列的点构成，相邻的点组成该轮廓的一条线段。
3.根据权利要求1所述的一种激光切割加工路径优化方法，其特征在于，所述零件组集合中至少包括一种特殊工艺标记，每种特殊工艺标记对应激光切割机中的一种加工参数。
4.根据权利要求1所述的一种激光切割加工路径优化方法，其特征在于，步骤(3)中，按照激光半径的1.00005～1.0003倍，将特殊工艺线段偏置成封闭轮廓。
5.根据权利要求1所述的一种激光切割加工路径优化方法，其特征在于，步骤(4)中，若当前判断的点落入了某一封闭轮廓集合中的一个封闭轮廓内，则不再判断该点是否落入该封闭轮廓集合中的其他封闭轮廓内。
6.根据权利要求1所述的一种激光切割加工路径优化方法，其特征在于，步骤(4)中，判断点是否落入封闭轮廓内，通过筛查该封闭轮廓的矩形包络位置的方式实现。
7.根据权利要求6所述的一种激光切割加工路径优化方法，其特征在于，若通过封闭轮廓的矩形包络位置进行筛查后不能判断点是否落入封闭轮廓内，则通过射线法进一步完成判断。
8.根据权利要求1所述的一种激光切割加工路径优化方法，其特征在于，步骤(2)中，对零件轮廓进行偏置时，以激光半径为偏置距离进行偏置。
9.根据权利要求1所述的一种激光切割路加工径优化方法，其特征在于，步骤(2)中，对零件轮廓进行偏置时，按照外轮廓向外、内轮廓向内的原则进行偏置。
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